RFA

RFA(Raman Fiber Amplifier):拉曼光纤放大器
RFA(Raman Fiber Amplifier):拉曼光纤放大器,拉曼光纤放大器由于具有全波段放大、低噪声、可以抑制非线性效应和能进行色散补偿等优点引起人们广泛关注,现已逐步走向商用。拉曼光纤放大器主要用做分布式放大器,辅助EDFA 在未来进行信号放大,也可以单独使用,放大EDFA不能放大的波段,同时克服了EDFA级联噪声大及放大带宽有限等缺点。拉曼放大器在长距离骨干网和海底光缆中的市场地位已得到承认;在城域网中,拉曼光纤放大器也有其利用价值。通信波段扩展和密集波分复用技术的运用用,给拉曼光纤放大器带来了广阔的应用前景。
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1 介绍
2 应用
3 拉曼增益与传输光纤特性的相关性
4 发展历史
5 新进展
6 相关词条
7 参考资料
RFA-介绍

使用多泵浦波长获得平坦的宽带增益谱
当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动,进而调制入射光强,产生间隔恰好为分子振动频率的边带。低频边带称斯托克斯线,高频边带称反斯托克斯线,前者强度较高。这样,当两个恰好频率间隔为斯托克斯频率的光波同时入射到光纤时,低频波将获得光增益,高频波将衰减,其能量转移到低频段上,这就是受激拉曼散射(SRS)。光纤拉曼放大器是SRS的一个重要应用。由于石英光纤具有很宽的SRS增益谱,且在13THz附近有一个较宽的主峰。如果一个弱信号和一个强的泵浦波在光纤中同时传输,并且它们的频率之差处在光纤的拉曼增益谱范围内,则弱信号光即可得到放大,这种基于SRS机制的光放大器称为光纤拉曼放大器。

分布式/集总式光放大器的比较
拉曼光纤放大器分为两个类型(1)集总式拉曼放大器,即放大过程发生在含有掺铒光纤的封闭模块中。主要作为高增益、高功率放大,可放大EDFA所无法放大的波段(2)分步式拉曼放大器。拉曼泵浦位于每级跨距的末端,泵浦方向与信号的传输方向相反。采用分布式拉曼光纤放大辅助传输可大大降低信号的入射功率,同时保持适当的光信号信噪比(OSNR)。这种分布式拉曼放大技术由于系统传输容量提升的需要而得到快速发展。拉曼增益谱的形状依赖于泵浦波长,最大增益波长比泵浦波长高100nm左右。这种特性使得在具有可用泵浦波长的条件下,放大任何波长区间的光信号成为可能。通过使用不同的泵浦波长组合可以在一个很宽的波长区间获得平坦的增益谱型。

RFA-应用
掺铒光纤放大器是一种成熟、可靠、经济有效的技术,在光网络中的广泛应用已经超过10年。虽然分布式拉曼放大器在很多应用方面可以弥补EDFA的不足,但是也要考虑DRA应用中的各种挑战。

简化的后向泵浦的拉曼放大器应用框图

某个拉曼泵浦模块在G.652光纤中的测试结果






(1)激光安全。由于向传输光纤引入了高的泵浦功率,需要关注激光功率安全问题。
(2)端面清洁。为了防止光连接器的损伤、烧毁,影响系统性能,端面的清洁非常重要。
(3)拉曼增益对传输光纤的特性敏感,例如光纤类型、光纤衰耗系数等。
(4)投入成本与运营成本的考虑。
因此,在讨论DRA的应用时,应主要考虑体现其重要价值和优越性的应用,而不是使用传统EDFA产品技术也可以满足的应用。广泛地说,DRA的应用可以分为无法在线路中间放大的长距离光纤通信线路的连接和LH,ULH高容量、长距离传输系统中的应用。

采用分布式拉曼放大器进行的传输实验

单跨段长距离的通信线路对于2个相距遥远的无法在线路中间使用EDFA等中继设备的通信站点而言,选择使用分布式拉曼放大器产品是必须的,如海缆通信链路,偏远无人区站点间的通信链路,不便设立中继站点或中级放大器的通信链路。一般来说,如果光纤线路距离小于160km,在线路两端使用传统的EDFA即可,对于更长距离的线路,需要考虑使用分布式拉曼放大器(DRA)。在不同的拉曼增益下OSNR与链路损耗的关系。假定每个通道的发送光功率为8dBm,前置EDFA的噪声指数为5dB;同时假定系统容量较低,通道数较少,不考虑色散及非线性效应引起的通道代价,使用10dB增益的DRA,可以容许线路损耗增加5dB,使用14dB增益的DRA,可以容许线路损耗增加到6.3dB。对于10Gbit/s的通道,如果使用FEC(前向纠错),在无误码的条件下,容许的传输光纤线路损耗达到52dB,相应的光纤线路长度约为250km。
多级跨距中的长跨距连接,DRA的另一个重要应用是多跨距线路,其中一个或多个跨距的长度或损耗高于其他跨距。估计有20%的区域、长距或超长距离传输线路可以借助于DRA。跨距末端的OSN随其中的较长跨距损耗变化的曲线。曲线表明,对其中损耗为40dB的2个跨距线路,使用DRA可以使系统的OSNR改善2dB。除了改善OSNR,DRA还允许使用原先标准的EDFA线路放大器(EDFA-LA)。使用之前的假定为,一个典型的增益可调EDFA具有一定的动态增益调节范围,例如14～26dB。因此,使用14dB的DRA,并使EDFA工作在26dB增益处,可以为线路信号提供40dB的增益。高容量长距离ULH系统ULH传输需求的主要背后驱动因素是光网络向动态可配置全光网络的发展。在这种光网络中,会用到可充配置分插/复用模块(ROADM)和交叉连接器(OCX),表明所有的光通道应该能够穿越传输距离很长的光网络。

不同DRA增益下的OSNR//链路损耗关系曲线

用和不用DRA条件下OSNR与长跨距损耗的关系曲线


用和不用DRA的条件下OSNR与跨距数目的关系曲线

用和用DRA的条件下OSNR与距离的关系曲线













应用注意事项
激光安全是光传输系统的一个关键问题,当由于意外原因使得光连接器开路或光纤线路故障时,要求与传输相关的所有激光器和发射机的功率应降低到安全水平值以下。使用DRA的传输系统与传统的采用EDFA的系统在两方面有主要区别:
(1)拉曼泵浦模块的输出功率比EDFA系统的典型功率水平高很多,高于指定的激光辐射安全水平。
(2)分布式拉曼放大器DRA沿传输光纤产生自发辐射噪声(ASE),即使中间光纤发生断裂故障,ASE功率仍沿着系统方向传输,这使得EDFA系统经常使用的输入无光关断的控制方式在此不太适用。为了解决这个问题,需要准确判断线路情况及线路有效信号功率,方法包括泵浦反射监测,OSC信道功率监测,带外ASE功率监测等方式。通过这些机制,可以提供拉曼放大器放大效率及其他重要的诊断信息,实现拉曼泵浦模块的自动关泵功能。
RFA-拉曼增益与传输光纤特性的相关性
拉曼放大器的增益介质即是传输光缆,因此传输光缆的种类及质量对拉曼放大器的性能有很大影响。在给定的泵浦条件下,获得的拉曼增益及拉曼增益谱的形状与传输光纤的类型密切相关。现在中国境内铺设的光缆主要是G.652和G.655,也有少数地方存在G.653光纤。由于各种传输光纤的数值孔径不同,制造工艺不同,其作为增益光纤的增益特性、噪声特性也不一样。在G.652和G.655光纤中,G.655光纤的增益较大,色散受限小,而G.652光纤则增益较小,但是噪声特性相对较好,适于长距离无电中继传输。而G.653光纤由于其较小的模场直径及色散系数,导致其非线性系数较高,因此光缆中存在强烈的四波混频,交叉相位调制及受激拉曼散射等非线性效应。引入拉曼放大器,能够有效减小G.653光纤的入纤功率,优化系统性能。
RFA-发展历史
受激拉曼散射(SRS)
拉曼光纤放大器的原理是基于光纤中的非线性效应:受激拉曼散射(SRS)。拉曼现象早在1928年就被Chandrasekhara Raman爵士所发现。目前对SRS效应的研究已形成一套比较完整的理论体系。在早期单模光纤中首先测得了石英光纤中的拉曼增益系数,其增益谱的典型特征是具有较宽的带宽,可在很宽的范围内获的拉曼增益。对于一定的拉曼增益,输出端的拉曼散射光强与泵浦光功率和光纤长度成正比,与光纤芯径成反比。对于光纤中的拉曼效应进一步研究发现,泵浦光与斯托克斯色散光的偏振方向对拉曼过程影响很大,当使用长光纤时,由于泵浦光与斯托克斯光无法实现同方向偏振方向传输,将使拉曼阈值成倍地上升。
拉曼光纤放大器在观察到SRS效应后不久就有所考虑,在80年代末至90年代直至现在逐渐引起人们的广泛关注。1972年Stolen等首先在拉曼光纤放大器的实验中发现了拉曼增益,初期的研究主要侧重于研制拉曼光纤激光器。80年代在光纤通信应用的推动下开始研究拉曼光纤放大器。1981年Tkeda采用1.017μm的泵浦光放大1.064μm的信号光,经1.3km单模光纤放大获得了30dB小信号增益。1983年Desurvire等用2.4km的单模光纤放大1.24μm的光信号,获得45dB的小信号增益。1986年Olsson用拉曼光纤放大器作为光纤通信系统接收机的前置放大器。1987年Edagawa研究了拉曼光纤放大器的宽带多信道放大特性。1989年Mollenauer采用41.7km的光纤环和1.46μm的色心激光器泵源,利用拉曼增益放大脉宽55ps、波长1.56μm的孤子脉冲稳定传输了6000km。1995年Grubb等实现了4×10G/s WDM多通道放大。1996年Stentz等研制成1.3μm拉曼光纤放大器。1997年Masuda等研制成EDFA与拉曼光纤放大器混和结构的宽带放大器。1999年拉曼光纤放大器成功的应用于DWDM系统,Bell实验室演示了拉曼放大结合EDFA的1.6Tbit/s 400km的传输系统。拉曼光纤放大器其固有的全波段可放大特性和可利用传输光纤做在线放大的优点使其进一步收到广泛关注,今后会逐渐在光放大器家族占据重要地位!
RFA-新进展
随着10Gb/s DWDM长距离传输系统的大量应用和40Gb/s技术的日趋成熟,喇曼光纤放大器的重要性日渐显露,并逐步进入商用。光器件制造商竞相研制出了性能优良的喇曼光纤放大器,主要是希望利用喇曼光纤放大器特有的分布式放大、可降低非线性影响、噪声特性好等特点,进一步推动高速、大容量、长距离光纤传输系统的发展。 2 新型泵浦结构的分布式喇曼光纤放大器 传统的分布式喇曼光纤放大器大都采用后向泵浦的方式,与前向以及双向泵浦的方式相比,这种泵浦方式存在等效噪声指数大的缺点,如果同时采用单一方向的泵浦结构就不能同时实现增益与噪声指数的优化。而通过双向泵浦结构及合理的泵浦波长的选择,在1528?1605nm范围内可以同时实现增益与噪声指数的平坦化。该泵浦结构如图1所示,得到的实验结果如图2所示。

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3 用于喇曼光纤放大器的材料和器件进展 目前,输出功率在350mW的14xxnm泵浦激光器已经商用,此类器件同时带有布拉格光纤光栅稳频器;泵浦偏振合波器件及WDM合波器件正日趋完善,特别是制约分离式喇曼光纤放大器研究进展的增益介质也取得了可喜的突破。 现在出现了一种采用光子晶体光纤技术研制的高非线性光纤,它弥补了通常色散补偿光纤的喇曼增益系数小的问题。这种模场直径更小、喇曼增益系数更大的光子晶体光纤一经开发成功便受到广泛关注,其截面结构如图3所示。这种光子晶体光纤的特点是:光纤纤芯由固体的SiO2组成,模场直径非常小(≤1μm)、非线性系数高;包层中有许多空气孔,这些空气孔主要是用来有效地降低包层的折射率。 4 功能完善、控制灵活的喇曼光纤放大器 国内在喇曼放大器产品的研究开发方面也一直十分火热,一些科研院所和企业单位相继开展了喇曼放大器的研究开发。其中,武汉光迅科技有限责任公司尤为突出:公司在湖北省科技厅、国家“863”计划的支持下,经过一年多的重点攻关,成功开发出系列喇曼光纤放大器用无源光器件(申请了9项专利),并在2002年率先在国内推出喇曼光纤放大器的第一代产品。目前,经过科研人员的共同努力,又顺利完成了对第一代喇曼光纤放大器的产品升级改进,推出了第二代系列喇曼光纤放大器产品。
1) 多波长喇曼光纤放大器主要特点 泵浦波长的选择更加灵活、方便 每个模块内可以装6只泵浦激光器,因此可供选择的泵浦波长数可以分别是3、4、5、6;能够根据客户的不同要求给出最佳的泵浦组合方案,从而使泵浦之间的四波混频效应对系统性能的影响降到最低,同时更容易实现喇曼放大器的增益斜率的控制。由于采用的是偏振合波加消偏的合波方式,因此可以方便地实现任意的波长组合,同时也消除了分布式喇曼放大器对偏振敏感的缺陷。 结构设计更加合理 采用光电分离的设计结构,此结构设计为产品的维护提供了便利。 功能更加完善 采用创新的光路设计与软件控制,在高背景噪声功率的情况下(ASE噪声功率>-20dBm)能准确检测出信号光的功率,检测范围宽:-40?10dBm。产品还实现了无光告警、泵浦激光器的自动关断功能。 产品更加安全、可靠 喇曼放大器的泵浦输出功率非常高,但在光纤线路断开时,喇曼光纤放大器就会自动把泵浦激光器关断,从而保护线路维护人员的安全。产品采用硬件控制的方式,消除了软件控制存在的缺陷,性能更加稳定,响应速度更快。
2) SDH用单波长喇曼光纤放大器 对于单波长的喇曼光纤放大器,即SDH用喇曼光纤放大器的研究,主要是利用了它能够延长传输距离的特点。我们的SDH用喇曼光纤放大器采用全新的光路设计,实现了喇曼放大器的无光告警以及自动关断功能,同时采用优化的泵浦波长大大提高了喇曼转换效率,在总泵浦功率相同的条件下,单波长喇曼光纤放大器的增益比多波长情况下提高了3?5dB。我们的SDH用喇曼光纤放大器已成功应用于线路损耗大于54dB的超长跨距的2.5Gb/s SDH通信系统中。
3) 混合光纤放大器(Raman+EDFA)继成功应用于2.5Gb/s的SDH超长距离的通信系统之后,我们的喇曼光纤放大器又成功应用于10Gb/s的SDH系统中。分布式喇曼放大器有两个突出的优点:一是理论上可以放大任意的波长,二是传输光纤本身就是增益介质,信号在光纤中传输的同时得到放大,使得喇曼放大器的等效噪声指数为负。但是,喇曼放大器的增益较低(实际线路中使用时不超过16dB),而EDFA虽然噪声指数上不如喇曼放大器,但是小信号增益可 以超过30dB,因此将喇曼放大器和EDFA结合起来的混合放大器是一种理想的应用形式。实验中我们采用外调制光发射模块,码型为非归零码(NRZ),没有加前向纠错(FEC)。发射模块的出光功率为0.3dBm,色散容限(2dB)1600ps/km,中心波长为1550.1nm。接收模块(PIN)的灵敏度为-18dBm,过载点为0dBm,传输光纤为160km G.652光纤。实验装置如图4所示:

RFA-实验图4
160kmG.652光纤的实际损耗为33dB,为了测试系统灵敏度,在两段光纤的中间加上了可调衰减器。考虑到发射机的色散容限,选择补偿100km的色散补偿模块。 实验结果为:喇曼放大器增益为11dB时,系统灵敏度为-35.5dBm;喇曼放大器增益为16dB时,系统灵敏度为-36.5dBm;喇曼放大器增益为20dB时,系统灵敏度为-37.5dBm, 实验结果表明,将喇曼放大器和EDFA结合而形成的混合放大器将大大提高10Gb/s系统的接收性能。

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